一种调控材料中空位缺陷的方法技术

本发明专利技术公开了一种调控材料中空位缺陷的方法，该方法是通过向相变功能材料中插入应力施加材料，从而调控所述相变功能材料中的空位缺陷浓度，并由此得到相变功能材料与应力施加材料嵌合生长生成的复合结构；该复合结构其相变特性主要由其中的所述相变功能材料决定，通过所述应力施加材料的调控使该复合结构其相变特性以由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其相变特性为基础产生变化，并且该应力施加材料具体为能够形成晶态的材料。本发明专利技术尤其通过向晶格常数略小的相变功能材料中插入常数稍大的应力施加材料，能有效降低相变存储材料中空位缺陷的浓度，从而降低其晶化过程的阈值，有效提升其晶化速度。

【技术实现步骤摘要】
一种调控材料中空位缺陷的方法
本专利技术属于微电子材料领域，更具体地，涉及一种调控材料中空位缺陷的方法，该方法能够对材料缺陷进行主动调制，尤其能够对相变存储材料中的空位缺陷进行调控。
技术介绍
相变存储材料由于其可以通过施加电或者光脉冲快速的在低阻态和高阻态之间实现可逆的变换而备受人们关注，其高阻转变为低阻的过程称为SET过程，逆过程称为RESET过程。基于相变材料的存储技术被人们认为是下一代存储技术的有力竞争者之一。相变存储器件具有擦写速度快、两态差异大以及与现有互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等优势。空位作为相变存储材料中的一种重要的缺陷，其研究一直被人们所关注。目前其研究方法分为第一性原理模拟计算及实验两大类。其中，实验方法又有高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)、正电子湮灭谱(PILS)、电子自旋响应谱(EPR)等。但目前常用的空位表征手段都属于被动的研究方法，即研究都是建立在空位已经形成之后，主动调控空位的有效实验手段目前仍然比较匮乏。相关研究发现，空位的存在与否极大地影响了相变材料的特性。一方面，空位的存在有效降低了原子迁移的能量势垒，在降低相变材料的功耗方面可能起着重要的作用(DeringerVL,LumeijM,StoffelRP,etal.MechanismsofatomicmotionthroughcrystallineGeTe[J].ChemistryofMaterials,2013,25(11):2220-2226.)。而另一方面，空位的存在在相变存储材料反复擦写的过程中会形成空洞，导致其性能失效，这可能是限制相变材料循环擦写能力的一个重要因素(NjorogeWK,HW,WuttigM.DensitychangesuponcrystallizationofGe2Sb2.04Te4.74films[J].JournalofVacuumScience&TechnologyA:Vacuum,Surfaces,andFilms,2002,20(1):230-233.)。因此，尽快发展出可调控空位浓度的实现方法，并根据对相变存储材料的性能的差异化需求主动促进或抑制空位的产生，进而实现对相变存储材料的改性对相变存储器性能改善及其产业化具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种调控材料中空位缺陷的方法，该方法具体是利用晶格失配程度来实现不同晶格应力，从而调控材料中空位缺陷浓度，具体是利用两种材料晶格常数之间的失配在材料中产生拉应力或者压应力，从而相应的降低或者增大材料的原子堆叠密度，进而抑制或促进材料中空位缺陷的产生。并且，本专利技术尤其通过向晶格常数略小的相变功能材料中插入晶格常数稍大的应力施加材料，来增大空位缺陷形成所需要的能量，进而降低相变存储材料中空位缺陷的浓度，从而降低其晶化过程的阈值，有效提升其晶化速度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，该方法是通过向相变功能材料中插入应力施加材料，从而调控所述相变功能材料中的空位缺陷浓度，并由此得到相变功能材料与应力施加材料嵌合生长生成的复合结构；该复合结构其相变特性主要由其中的所述相变功能材料决定，通过所述应力施加材料的调控使该复合结构其相变特性以由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其相变特性为基础产生变化，并且该应力施加材料具体为能够形成晶态的材料。作为本专利技术的进一步优选，当所述相变功能材料和所述应力施加材料同时为晶态时，在所述相变功能材料与所述应力施加材料交界的界面处存在这两类材料的晶格外延接触；并且，对于所述相变功能材料和所述应力施加材料，由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体与由纯的所述应力施加材料得到的应力施加材料晶体这两类晶体之间的晶格失配率绝对值在0.1％至10％之间；优选的，由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其晶格常数小于由纯的所述应力施加材料得到的应力施加材料晶体其晶格常数。作为本专利技术的进一步优选，所述向相变功能材料中插入应力施加材料具体是向所述相变功能材料构成的相变功能层中插入所述应力施加材料构成的应力施加层，由此得到相变功能层与应力施加层交替生长生成的多层膜结构。作为本专利技术的进一步优选，所述多层膜结构为周期性的多层膜结构；该多层膜结构的任意一个周期同时包括一个相变功能层和一个应力施加层，其中，所述相变功能层和所述应力施加层的厚度之比满足1:10～10:1；任意一个周期的厚度满足2-10nm，整个所述多层膜结构的总周期数满足5-100。作为本专利技术的进一步优选，对于该多层膜结构，具体是通过调节应力施加层的厚度来调节其对所述相变功能层应力的大小，进而调节空位缺陷的形成能，从而形成不同的空位缺陷浓度。作为本专利技术的进一步优选，所述相变功能材料为原子层之间不含有范德华间隙的微观非层状相变材料，所述应力施加材料为原子层之间含有范德华间隙的微观层状材料；优选的，所述相变功能材料为本征或元素掺杂的单质材料或化合物材料，其中所述单质材料为Sb单质，所述化合物材料为Ge与Te形成的化合物，Ge与Sb形成的化合物，Ge、Sb、Te三者形成的化合物，Ge、Bi、Te三者形成的化合物，或Ge、Sb、Bi、Te四者形成的化合物；掺杂的元素为C、Cu、N、O、Si、Sc、Ti中的至少一种；所述应力施加材料为Sb与Te形成的化合物，Bi与Te形成的化合物，Ge与Se形成的化合物，In与Se形成的化合物，或Mo与S形成的化合物；更优选的，所述相变功能材料为GeTe、GeSb、Ge2Sb2Te5或Ge1Sb2Te4；所述应力施加材料为Sb2Te3或Bi2Te3。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种利用上述基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法对应得到的复合结构，其特征在于，该复合结构中相变功能材料与应力施加材料嵌合分布。作为本专利技术的进一步优选，所述应力施加材料为晶态。按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了一种使用上述复合结构的相变存储器。按照本专利技术的再一方面，本专利技术提供了制备上述复合结构的方法，其特征在于，该制备方法具体是基于磁控溅射法、分子层沉积法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、物理气相沉积、化学气相沉积方法、热蒸发法或电化学生长方法。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于向相变功能材料中插入应力施加材料，实现对相变功能材料应力的调控，从而最终调控所述相变功能材料中的空位缺陷浓度。并且，基于本专利技术中通过实现不同晶格应力以调控空位浓度的方法，可以通过调节相变功能材料与应力施加材料的比例，调节空位缺陷的形成能从而形成不同的空位浓度。相变功能材料与应力施加材料之间晶格常数失配率不宜过大，本专利技术中晶格失配率δ定义为：其中，b为应力施加材料的面内晶格常数，a为相变功能材料的面内晶格常数。两种材料之间的晶格失配率的绝对值优选在0.1％至10％之间，以保证两种晶格之间的外延耦合较易发生，从而保证相变功能材料和应力施加材料，这两种材料在界面处应该存在晶格外延类的接触(即，两种材料嵌合在一起)，而不是全为晶界接触。以将相变功能层材料与应力施加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，该方法是通过向相变功能材料中插入应力施加材料，从而调控所述相变功能材料中的空位缺陷浓度，并由此得到相变功能材料与应力施加材料嵌合生长生成的复合结构；该复合结构其相变特性主要由其中的所述相变功能材料决定，通过所述应力施加材料的调控使该复合结构其相变特性以由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其相变特性为基础产生变化，并且该应力施加材料具体为能够形成晶态的材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，该方法是通过向相变功能材料中插入应力施加材料，从而调控所述相变功能材料中的空位缺陷浓度，并由此得到相变功能材料与应力施加材料嵌合生长生成的复合结构；该复合结构其相变特性主要由其中的所述相变功能材料决定，通过所述应力施加材料的调控使该复合结构其相变特性以由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其相变特性为基础产生变化，并且该应力施加材料具体为能够形成晶态的材料。2.如权利要求1所述基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，当所述相变功能材料和所述应力施加材料同时为晶态时，在所述相变功能材料与所述应力施加材料交界的界面处存在这两类材料的晶格外延接触；并且，对于所述相变功能材料和所述应力施加材料，由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体与由纯的所述应力施加材料得到的应力施加材料晶体这两类晶体之间的晶格失配率绝对值在0.1％至10％之间；优选的，由纯的所述相变功能材料得到的相变功能材料晶体其晶格常数小于由纯的所述应力施加材料得到的应力施加材料晶体其晶格常数。3.如权利要求1所述基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，所述向相变功能材料中插入应力施加材料具体是向所述相变功能材料构成的相变功能层中插入所述应力施加材料构成的应力施加层，由此得到相变功能层与应力施加层交替生长生成的多层膜结构。4.如权利要求3所述基于晶格应力调控相变材料中空位缺陷浓度的方法，其特征在于，所述多层膜结构为周期性的多层膜结构；该多层膜结构的任意一个周期同时包括一个相变功能层和一个应力施加层，其中，所述相变功能层和所述应力施加层的厚度之比满足1:10～10:1；任意一个周期的厚度满足2-10nm，整个所述多层膜结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，冯金龙，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42